一种仿生多组分纤维的制备方法及应用
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202010424736.7 | 申请日 | 2020-05-19 |
| 公开(公告)号 | CN111485296B | 公开(公告)日 | 2021-01-05 |
| 申请人 | 南京鼓楼医院; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 赵远锦; 郭佳慧; 王月桐; | 第一发明人 | 赵远锦 |
| 权利人 | 南京鼓楼医院 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 南京鼓楼医院 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省南京市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省南京市鼓楼区中山路321号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：210008 |
| 主IPC国际分类 | D01D5/34 | 所有IPC国际分类 | D01D5/34 ; D01D1/09 ; D01F8/16 ; D01F8/10 ; D01F8/18 ; D01F1/09 ; H01G11/00 |
| 专利引用数量 | 6 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 1 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 南京钟山专利代理有限公司 | 专利代理人 | 蒋厦; |
| 摘要 | 本 发明 涉及一种仿生多组分 纤维 的制备方法及应用，包括 外壳 层和多 内核 层，所述外壳层由机械性能优异的 生物 材料 组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到。本发明所述的多组分纤维同时具有良好的机械性能和电学性能，所述的微流控纺丝的制备方法具有成本低廉、组装和操控方便、安全可靠以及可对纤维形貌进行精确操控的优点。本发明提供了所制备仿生多组分纤维在柔性 电子 方面的应用，其在电学性能良好的表现出良好的柔性和循环性，适用性较强。 | ||
| 权利要求 | 1.一种用于制作超级电容器的仿生多组分纤维的制备方法，其特征在于：包括外壳层和多内核层，所述外壳层由机械性能优异的生物材料组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到； |
||
| 说明书全文 | 一种仿生多组分纤维的制备方法及应用技术领域背景技术[0002] 作为一项新兴的技术，柔性电子具有可穿戴性和可便携性等特点，已被应用到人类社会的各个方面。为了适应柔性电子的快速发展，多种具有足够能量密度及长循环寿命的储能装置如超级电容器正被广泛研究开发。目前，纤维状柔性电子由于其重量轻、柔性好、成本低等优点，被认为是最有前途的发展趋势。但是，当前的这些纤维状柔性电子的制备策略主要基于多步涂覆或手动绞合，通常制备过程复杂、耗时耗力且无法实现精准控制。因此，一种简便的并可实现精确控制的纤维状柔性电子的生成方式仍值得期待。 [0003] 目前简便的可控地制备纤维的方式有直接拉伸法，湿法纺丝，电纺丝，和微流纺纺丝等。其中，微流控纺丝技术可以对设定好的微流控通道内的流体进行精确和系统的操控，因此成为了连续制备纤维状功能材料的最佳选择。通过调整微流控纺丝过程中，流体的浓度、流速和粘度等流变参数，微流控通道内流体的流动状态就会相应地改变，从而对纤维性能和结构产生一定影响。同时，微流控纺丝技术由于其操作简便，成本低廉，安全可靠等优势，在包括细胞培养、药物缓释、等生物医学工程应用上显示出巨大潜力。但是，利用微流控纺丝技术制备纤维状柔性电子仍有待开发。 [0004] 因此，在本发明中，我们受自然界中家蚕纺丝过程和蚕丝分级结构的启发，基于微流控纺丝技术，制备得到一种多组分纤维，并将于应用于柔性超级电容器等柔性电子系统中。 发明内容[0005] 本发明的目的是针对上述现有的对于简便可控地制备纤维状柔性电子的研究的缺乏，而提供了一种基于微流控纺丝技术，简便可控制备得到多组分纤维，并应用于超级电容器等柔性电子系统中。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案是： [0007] 一种仿生多组分纤维，包括外壳层和多内核层，所述外壳层由机械性能优异的生物材料组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到。 [0008] 所述的仿生多组分纤维的制备方法，其制备包括以下步骤： [0009] (1)制备多组分微流控装置：通过将若干个拉伸成锥形的毛细管作为内核流体通道，同轴地组装到作为壳层前驱溶液通道的中间相毛细管中，再将所有毛细管同轴地插入用于固化壳层前驱溶液流体通道的外相收集毛细管中； [0010] (2)配制用于制备内核层的电学性能良好的内核溶液、用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液以及用于固化外壳前驱液的固化溶液；分别通入步骤(1)中的若干个毛细管内核流体通道、中间相毛细管流体通道以及外相收集毛细管流体通道中，并使所有流体同向流动； [0011] (3)通过调整各相溶液的流速，实现对多组分纤维的核壳比的精确控制；通过调整微流控装置的内核流体通道的数量，实现对多组分纤维的内核数量的精确控制；从而实现对多组分纤维的机械性能和电学性能的调控。 [0013] 利用各相溶液之间呈现层流状态的性质，形成与毛细管截面结构相对应的多组分纤维。 [0016] 所述用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液为聚氨酯溶液PU、聚偏氟乙烯溶液PVDF、或海藻酸钠溶液Na-Alg。 [0018] 所述的仿生多组分纤维可连续生成，直径为400-600μm，外壳厚度为350-550μm。所2 制备的仿生多组分纤维的电容值可达到～250C/m ,并表现出较好的循环性能。 [0019] 本发明还保护所述的仿生多组分纤维作为柔性电子的应用，本发明所制备的仿生多组分纤维兼具优异的拉伸性能和电学性能，可应用于制作超级电容器等。 [0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0021] 本发明提供了一种仿生多组分纤维的制备方法，所述的多组分纤维同时具有良好的机械性能和电学性能，所述的微流控纺丝的制备方法具有成本低廉、组装和操控方便、安全可靠以及可对纤维形貌进行精确操控的优点。本发明提供了所制备仿生多组分纤维在柔性电子方面的应用，其在电学性能良好的表现出良好的柔性和循环性，适用性较强。附图说明 [0022] 图1是本发明一种仿生多组分纤维的结构示意图。 [0023] 图2是本发明一种制备仿生多组分纤维的微流控装置的结构示意图。 [0024] 图3是本发明一个实例中得到的多组分纤维的结构实物图。 [0025] 图4是本发明一个实例中得到的多组分纤维的形貌调控曲线图。 [0026] 图5是本发明一个实例中得到的多组分纤维的电学性能曲线。 [0027] 图6是本发明一个实例中得到的多组分纤维的拉伸性能和拉伸-电学响应曲线。 具体实施方式[0028] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。 [0029] 一种仿生多组分纤维，包括外壳层和多内核层，所述外壳层由机械性能优异的生物材料组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到。 [0030] 所述的仿生多组分纤维的制备方法，其制备包括以下步骤： [0031] (1)制备多组分微流控装置：通过将若干个拉伸成锥形的毛细管作为内核流体通道，同轴地组装到作为壳层前驱溶液通道的中间相毛细管中，再将所有毛细管同轴地插入用于固化壳层前驱溶液流体通道的外相收集毛细管中； [0032] (2)配制用于制备内核层的电学性能良好的内核溶液、用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液以及用于固化外壳前驱液的固化溶液；分别通入步骤(1)中的若干个毛细管内核流体通道、中间相毛细管流体通道以及外相收集毛细管流体通道中，并使所有流体同向流动； [0033] (3)通过调整各相溶液的流速，实现对多组分纤维的核壳比的精确控制；通过调整微流控装置的内核流体通道的数量，实现对多组分纤维的内核数量的精确控制；从而实现对多组分纤维的机械性能和电学性能的调控。 [0034] 步骤(1)中，利用透明环氧树脂在必要的毛细管接口处进行密封。 [0035] 利用各相溶液之间呈现层流状态的性质，形成与毛细管截面结构相对应的多组分纤维。 [0036] 内核电学性能良好的溶液为碳纳米管溶液、导电聚合物溶液、或MXene溶液[0037] 所述用于制备内核层的电学性能良好的内核溶液为碳纳米管溶液、导电聚合物溶液或MXene溶液。 [0038] 所述用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液为聚氨酯溶液PU、聚偏氟乙烯溶液PVDF、或海藻酸钠溶液Na-Alg。 [0039] 所述用于固化外壳前驱液的固化溶液为酒精溶液、去离子水溶液或氯化钙溶液。 [0040] 所述的仿生多组分纤维可连续生成，直径为400-600μm，外壳厚度为350-550μm。所制备的仿生多组分纤维的电容值可达到～250C/m2,并表现出较好的循环性能。 [0041] 图1给出了一种仿生多组分纤维的结构示意图，具体包括一个由机械性能良好的生物材料构成的外壳，和由电学性能优异的生物材料构成的多个内核。所述的多组分结构受自然界中蚕丝结构的启发。 [0042] 图2给出了一种仿生多组分纤维的微流控装置结构示意图，具体包括多个锥形的内相毛细管通道，一个锥形的中间相毛细管通道和一个外相收集管通道。多个内相毛细管通道外侧同轴套有中间相毛细管通道，中间相毛细管通道外同轴套有外相收集管通道。多个内相毛细管通道、中间相毛细管通道、以及外相毛细管通道，分别与内相进液装置、中间相进液装置以及外相进液装置相连。各相进液装置包括注射泵，注射器(包含注射针头)；注射泵与注射器相接，注射器注射针头通过导管与多个内相毛细管、中间相毛细管，以及外相毛细管相连接。 [0043] 实施例1仿生多组分纤维的制备 [0044] (1)多组分微流控纺丝装置的制备： [0045] 按图2给出的微流控装置结构示意图，同轴组装多个内相毛细管通道、中间相毛细管通道以及外相收集管通道，并与各相进液装置相连。 [0046] (2)配置相关溶液 [0048] (3)将配置得到的内相、中间相、外相溶液通过导管与各相注射器及注射泵相连，并通过注射泵注入各相通道中，调节各相流体速度，制备得到稳定的连续的多碳纳米管(CNTs)核的PU纤维，并进行大量收集，如图3所示。 [0049] 实施例2仿生多组分纤维的形貌调控 [0050] 选取双内相毛细管的微流控装置，确定内相毛细管的内径为100μm和140μm。在纤维的制备过程中，通过调整内相CNTs溶液的流速或中间相PU溶液的流速，在在线观察装置中实时测量得到纤维壁厚的变化，可以实现对纤维壁厚的精确控制，如图4所示。 [0051] 实施例3仿生多组分纤维的电学性能测试 [0052] 以双CNTs内核的PU纤维为例，确定10mV/s的扫描速率，对该纤维进行了0到1V的循环伏安测试50次，并计算得到相应的电容值，明确得到的多组分PU纤维具有稳定的良好的电学性能，如图5所示。在柔性方面，对CNTs内核的PU纤维进行了拉伸测试，以及测试了双CNTs内核的PU纤维在拉伸情况下的电容变化，如图6所示，明确得到的多组分PU纤维具有优异的拉伸性能及拉伸-响应性能。在此基础上，可以预测该仿生多组分PU纤维在其他柔性电子应用方面可以发挥较大优势。 [0053] 实施例4仿生多组分MXene纤维的制备 [0054] (1)多组分微流控纺丝装置的制备： [0055] 按图2给出的微流控装置结构示意图，同轴组装多个内相毛细管通道、中间相毛细管通道以及外相收集管通道，并与各相进液装置相连。 [0056] (2)配置相关溶液 [0057] 选取内相溶液为5mg/mL的MXene水分散液，中间相为2wt％的海藻酸钠水溶液，外相收集液为2wt％的氯化钙(CaCl2)溶液。 [0058] (3)将配置得到的内相、中间相、外相溶液通过导管与各相注射器及注射泵相连，并通过注射泵注入各相通道中，调节各相流体速度，制备得到稳定的连续的MXene核的海藻酸钙纤维，并进行大量收集。 [0059] 实施例5仿生多组分导电聚合物纤维的制备 [0060] (1)多组分微流控纺丝装置的制备： [0061] 按图2给出的微流控装置结构示意图，同轴组装多个内相毛细管通道、中间相毛细管通道以及外相收集管通道，并与各相进液装置相连。 [0062] (2)配置相关溶液 [0063] 选取内相溶液为10.5mg/mL的导电聚合物PEDOT:PSS分散液，中间相为质量体积比1:10的聚偏氟乙烯/二甲基甲酰胺(PVDF/DMF)溶液，外相收集液为去离子水溶液。 [0064] (3)将配置得到的内相、中间相、外相溶液通过导管与各相注射器及注射泵相连，并通过注射泵注入各相通道中，调节各相流体速度，制备得到稳定的连续的PEDOT:PSS核的PVDF纤维，并进行大量收集。 [0065] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。 |
||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈